NiFe alaşımlarının elektrokaplama yöntemi ile üretim

Demir grubu alaşımların endüstriyel önemlerinden dolayı söz konusu alaşımların elektrokaplama yöntemi ile elde edilmesine yönelik pekçok çalışma mevcuttur. Ancak anormal kaplama (bkz. bölüm 2.2) olarak tanımlanan olayın, demir grubu alaşımların elektrokaplamasında görülmesi de bu sistem üzerinde yoğunlaşan çalışmaların bir başka nedenidir. Brenner [82], 1963 yılına kadar olan demir grubu alaşımların elektrokaplamasına ait çalışmaları geniş bir şekilde eserinde incelemiştir. 1982 yılında Srimathi ve arkadaşları [16], ikili manyetik alaşımların elektrokaplamasına yönelik genel bir incelemeyi içeren çalışmayı gerçekleştirmişlerdir. Akiyama ve Fukushima [120] ise 1992 yılına kadar olan çalışmaları makalelerinde ele almışlardır. Bunu takiben Andricacos ve Romankiw [121], 1970’li yılların sonundan 1990’lı yılların başına kadar geçen sürede özellikle permalloy alaşım başta olmak üzere Fe-Ni alaşımlarının elektrokaplanması üzerine çok kapsamlı bir değerlendirme yapmışlardır.

Fe-Ni alaşımının elektrokaplama sürecine bakıldığında Glasstone and Symes’in sülfatlı banyo kullanarak alaşım bileşiminde ağ. % 20-57 aralığında demir içeren farklı Fe-Ni alaşımları elde ettikleri görülmektedir [122, 123]. Burns ve Warner ise 1931 yılında elektrokaplama ile elde ettikleri ve yapısında ağ. % 21 demir bulunan ikili alaşımları için patent almışlardır [124].

1940 - 1960 yılları arasında yapılan çalışmalarda genellikle sülfatlı banyolar kullanılmıştır [125-127]. Bu dönemde bazı araştırmacılar sülfat ve klorür karışımlı banyoları kullanmayı da tercih etmişlerdir [128-130]. Fe-Ni alaşımlarının elektrokaplamasında elektrolit sistemi için ilk defa Korovin klorürlü çözelti kullanmıştır [131]. Korovin, kaplama sistemini oda sıcaklığında ve pH=3 değerinde çalıştırmıştır. Klorürlü elektrolitlerde, filmin kompozisyonu üzerine kaplama banyosu değişkenlerinin etkisi sülfatlı banyolardakine benzemektedir. Kaplama sistemine uygulanan akım yoğunluğunun artışı ile kaplama bileşimindeki demir

miktarında önce bir artış tespit edilmiştir ta ki akım yoğunluğu değeri 0.5-1 A/dm2’ye ulaşıncaya kadar, bu akım yoğunluğu değerinden sonra ise

alaşımdaki demir miktarında azalma görülmüştür. Akım yoğunluğuna bağlı olan bu etki kaplama banyosundaki demir miktarının azalmasında daha kuvvetli olarak hissedilmiştir. Klorürlü banyolarda da tüm çalışma koşulları altında anormal kaplama oluşmuştur. Bu çalışmalara ilave olarak Korovin, klorürlü kaplama banyosuna sodyum sitrat ilave ederek sitrat iyonlarının çözeltideki nikel ile tercihli olarak kompleks yapmasından dolayı alaşımın demir içeriğinin daha yüksek olacağını tespit etmiştir ancak yüksek demir içeriğine rağmen kaplama yüksek iç gerilime de sahip olmuştur.

Sysoeva[129] ise sitrik asit içeren ve pH=3 de çalışan elektrolit sistemleri üzerinde çalışmıştır. Sysoeva’nın geliştirdiği bu elektrolit, tüm araştırmacıların elde ettiğinden daha geniş bir akım yoğunluğu aralığında (1-50 A/dm2) alaşım kaplama yapma imkanı tanımıştır. Alaşım kaplamanın geniş bir akım yoğunluğu aralığında yapılabilmesi sonucu artan akım yoğunluğu ile alaşımdaki demir miktarı da artmıştır ki bu sonuç sülfatlı elektrolitlerde ve Korovin’in klorürlü elektrolitlerde gözlemlediği sonucun tam aksidir. Sysoeva, 82.5 g/l Fe+2 iyonu içeren elektrolitten 40A/dm2 akım yoğunluğunda alaşım kaplama yapmış ve anormal kaplama sonucunda elde ettiği alaşımdaki demir miktarının elektrolitte bulunan demir iyonu oranından fazla olduğunu tespit etmiştir.

Ferromanyetik filmlerin elektronik endüstrisinde geniş kullanım alanı bulmasından dolayı özellikle son 30 yılda NiFe alaşımının üretimine yönelik çalışmalar daha da hız kazanmıştır. Fe-Ni alaşımları arasında; nikelce zengin Permalloy (Fe at. %20) ve demirce zengin Invar (Fe at. % 65) en popüler alaşımlardır ki bu alaşımlar manyetik

kutup uçları ve kaydedici kafalar gibi manyetik cihaz uygulamalarında kullanılmışlardır[132].

Fe-Ni alaşım özellikleri üzerine operasyon parametrelerinin etkisini anlamak adına da çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Ancak bu çalışmaların çoğu alaşımın kimyasal bileşimi ve kaplamanın akım verimi üzerine yoğunlaşmıştır. Grimmett ve arkadaşları [133], doğru akım, darbeli ve darbeli ters akım teknikleri kullanarak Ni-Fe alaşımları üretmişlerdir Bu çalışmanın sonucunda hem alaşım bileşimi hem de kaplama koşullarına bağlı olarak yapıda yüzey merkezli kübik (YMK), hacim merkezli kübik (HMK) ve karışık YMK+HMK kristal fazlarının varlığını tespit etmişlerdir. Diğer araştırmacılar da elektrokaplanmış Fe-Ni alaşımında α-demir, Ni3Fe ve diğer nikel

fazlarının varlığına rastlamışlardır[134]. Gao ve arkadaşları[135, 136], sülfat esaslı elektrolit kullanarak ve doymuş kalomel elektroda (SCE) göre -1.2 Volt potansiyel uygulayarak permalloy elde etmişlerdir. Filmin analizi sonucunda amorf matriks içerisine gömülü durumda bulunan YMK Fe-Ni nanokristalin tanelerin varlığını gözlemlemişlerdir.

Yin ve arkadaşları[93], Fe-Ni alaşım kaplama çözeltisinin değişik pH seviyelerinde Fe-Ni bileşimlerinin nasıl etkileneceği üzerinde çalışmışlardır. Araştırmacılar; alaşım kompozisyonunun, yayınma tabakası içine iyonların kütle taşınımı ve katot yüzeyinin organik ilaveler ile kaplanması tarafından etkileneceğini tespit etmişlerdir. Fe-Ni alaşım kaplamanın üzerinde organik ilavelerin varlığı ve disk elektrodun dönme hızının etkisini de çalışmalarında gözlemlemişlerdir.

Horkans[137], 0.5 M Ni+2 _{ve 0.01 M Fe}+2 _{içeren bir kaplama çözeltisinde döner disk}

sistemi kullanarak hem sülfatlı hem de klorürlü elektrolitlerde borik asit içeriği ve kaplama banyosu bileşenlerinin bir fonksiyonu olarak Fe-Ni alaşımlarının kaplama kompozisyonu ve akım verimleri üzerinde çalışmıştır. Bu çalışma benzer çalışma koşulları altında sülfatlı ve klorürlü elektrolitleri de birbirleri ile mukayese etme imkanı tanımıştır. Sistemde artan akım yoğunluğu ile kaplamadaki Fe içeriğinin belli bir maksimum değere kadar arttığı ancak bu noktadan sonra şiddetli olarak düşüş gösterdiği tespit edilmiştir. Alaşım kaplamada Fe miktarının maksimuma ulaşmasını sağlayan akım yoğunluğu değeri pH 3 için 0.2-0.5 A/dm2 _{mertebesinde iken pH 2}

için bu değerin 1 A/dm2 _{olduğu gözlemlenmiştir. Sülfatlı elektrolitlerden üretilen Fe-}

olmuştur ve bu sonuç elektrolitte borik asidin varlığı ya da yokluğundan ya da elektrolitin pH değerindeki farklılaşmadan etkilenmemiştir. Hem sülfatlı hem de klorürlü banyolar, pH 3 de çalışır iken borik asit ilavesi yapılmış ve 2A/dm2 altında akım yoğunluğu uygulayarak elde edilen alaşımın Fe miktarında artış görülmüştür, buna karşılık 2A/dm2’den daha büyük akım yoğunluğu uygulandığında ise borik asit ilavesinin etkisi gözlemlenmemiştir. Araştırmacılar tarafından elektrolitin pH değeri 2 olduğunda borik asidin etkisinin çok az olduğu rapor edilmiştir. Artan akım yoğunluğunun ve pH değerinin daha yüksek katot akım verimine sebep olduğu ifade edilmiştir. Buna karşılık borik asidin akım verimi üzerindeki etkisinin çok az olduğu tespit edilmiştir.

Literatürde Fe-Ni alaşımının elektrokaplanmasında kullanılan elektrolitlerin çeşitleri (sülfatlı, klorürlü gibi) kadar kaplama banyosuna; anyonlar[137], Fe+3 _{[1, 93, 131],}

borik asit [93, 138] ve sodyum hipofosfit [139] gibi ilavelerin yapılması durumu üzerinde de çalışılmıştır. Bunu takip eden çalışmalarda ise kaplama banyosuna sakarin, tioüre ve etilen diamin gibi organiklerin ilavesinin etkisi üzerinde de durulmuştur. Kaplama banyosunda bulunan borik asit, demirin mutlak kaplama hızını arttırırken nikelin redüksiyon hızını engellemektedir. Organik ilaveler de metalin kaplama hızını etkiler ancak bu etkileme borik asitte olduğu kadar kuvvetli değildir. Organik ilavelerin varlığı sonucunda hidrojen çıkışı önemli ölçüde engellendiğinden homojen bir kaplama elde etmek mümkün olmuştur.

Yapılan çalışmaların bir kısmının amacı da Fe-Ni alaşımlarının mevcut manyetik özelliklerini geliştirmek adınadır [135, 140]. Venkatasetty[1], sitrat kompleksli nikel demir elektrolidinden Ni80Fe20 alaşım filmini elde etmiştir. Filmin manyetik enerjiyi

koruyabilirlilik ve anizotropi alanı (Hk) gibi manyetik özellikleri; akım yoğunluğu,

pH, sıcaklık ve elektrolitteki sitrat iyonu konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Film kalınlığının bir fonksiyonu olarak gözlemlenen ferromanyetik alan düzenleri (domain patern), buhar biriktirme yöntemleri ile elde edilen filmlerdekine benzer davranış sergilemişlerdir. Araştırmacı, akım yoğunluğunun ve sıcaklığın filmdeki gerilim üzerinde ciddi bir etkiye sahip olduğunu da tespit etmiştir. Robertson ve arkadaşları [141], 1997 yılında yüksek performanslı yazıcı kafaların üretiminde kullanılan Ni80Fe20 alaşımının yerine geçebilecek elektrokaplama ile

üretilen yüksek manyetik momentli Ni45Fe55 alaşımı üzerinde çalışmışlardır. Söz

48 μΩ/cm direnç (ρ) değerine sahip olduğu belirtilmiştir ki bu değerler Ni80Fe20

alaşımı için sırası ile 1 Tesla ve 24 μΩ/cm’dir. Söz konusu alaşımın kullanılması ile yazıcı kafaların kayıt etme performansı büyük oranda arttırılmıştır.

Fe-Ni alaşım filmlerinin elektrokaplama ile elde edilmesine yönelik çalışmalar günümüzde de devam etmektedir [11, 12, 48, 142].